MECÁNICA DE FLUIDOS II TUBERIAS TIPOS Y CLASES
15 de octubre del 2013 ING ZELADA ZAMORA
CHUQUICAHUA GOYCOCHEA CARLOS DIEZ MALPARTIDA LUIS LARIOS WUAMANCHUMO JUAN QUINDE MELENDRES ERNESTO ROJAS ISERN LUIS
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INTRODUCCION
Las tuberías se emplean para la conducción de fluidos, normalmente están formados por elementos unidos convenientemente, mediante uniones apropiadas. Las tuberías pueden estar constituidas por materiales diversos. La selección del material depende esencialmente de los siguientes elementos: naturaleza del fluido que pasa por la tubería, condiciones físicas (temperatura), presión, y otras condiciones del fluido.
Las tuberías trata también de conexiones o uniones mediante soldaduras y dentro de estas se encuentra la soldadura de topes y boquilla, conexiones roscadas y conexiones con bridas.
A continuación definiremos y mostraremos los diferentes tipos de tuberías y sus clases, utilizados frecuentemente.
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OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL
Exponer las características y especificaciones de los distintos tipos de tuberías y accesorios existentes en el mercado, haciendo énfasis en usos, aplicaciones y dimensionamiento según los materiales.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS Diferenciar los distintos tipos de materiales de tuberías basados en sus usos, aplicaciones y comportamiento ante efectos como el de pérdidas de energía. Resaltar las situaciones específicas ante las cuales se hace necesario implementar accesorios en una tubería. analizar el comportamiento teórico de una tubería de acuerdo a sus especificaciones, ante la utilización de determinados materiales, accesorios, dimensiones, etc.
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ASPECTOS GENERALES I.
LAS TUBERÍAS
Una tubería es un conjunto de tubos y accesorios unidos para formar una conducción cerrada. Un tubo es un elemento de sección circular. Dependiendo del tipo de material del que está constituido el conducto, sus características, ventajas y desventajas variarán en función de su: utilidad, de la actividad del suelo, de la climatología y del lugar en el que se coloque. A partir de la revolución industrial los materiales más comunes en usar fueron los de fierro, cobre y aleaciones diversas, actualmente el material mas usado es el PVC.
USO DOMÉSTICO Agua Actualmente, los materiales más comunes con los que se fabrican tubos para la conducción de agua son: PRFV, cobre, PVC, polipropileno, PEAD y acero.
Desagües Los materiales más comunes para el desalojo de aguas servidas son: PRFV, hierro fundido, PVC, hormigón o fibrocemento. Los nuevos materiales que están reemplazando a los tradicionales son el PRFV (Poliéster Reforzado con Fibra de Vidrio), PEAD (Polietileno de Alta Densidad) y PP (Polipropileno).
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Gas Suelen ser de cobre o acero (dúctil o laminar según las presiones aplicadas), dependiendo del tipo de instalación, aunque si son de un material metálico es necesario realizar una conexión a la red de toma de tierra. También se están comenzando a hacer de PRFV, Polietileno Reforzado con Fibra de Vidrio. En el caso de tuberías de conducción con requerimientos térmicos y mecánicos menos exigentes; además soportan altas presiones.
Calefacción El cobre es el material más usado en las instalaciones nuevas, mientras que en instalaciones antiguas es muy común encontrar tuberías de hierro. En redes enterradas se emplea tubería pre aislada.
Energía En el transporte de vapor de alta energía se emplea acero aleado con cromo y molibdeno. Para grandes caudales de agua (refrigeración) se emplea poliéster reforzado con fibra de vidrio (PRFV-hasta DN3200), hierro fundido dúctil (hasta 2m de diámetro) o acero al carbono. En el caso de la última, la tubería se fabrica a partir de chapa doblada que posteriormente es soldada (tubería con costura). En el ámbito de la producción de energía hidráulica se las llama tubería forzada.
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II.
TIPOS DE TUBERIAS.
2.1 Tuberías De Acero Las tuberías de acero pueden ser fabricadas sin soldadura por laminación, o bien por soldadura longitudinal o en espiral. Son muy resistentes a la rotura, pero fácilmente oxidables. Se protegen mediante recubrimientos interiores y exteriores de asfalto en caliente y además se las recubre con yute alquitranado o incluso, evitándose el que se adhieran entre sí durante el transporte mediante una mano de lechada de cal sobre la envuelta. El recubrimiento exterior debe ser examinado antes de la colocación del tubo, localizándose los defectos y reparándolos. Interiormente se reviste con mortero centrifugado. Si se prevé que la tubería va a estar sumergida frecuentemente en agua, por situarse bajo el nivel freático debe estar revestido con material plástico. Ventajas:
Altamente resistentes Resistentes a la presión y a los impactos fuertes Alta capacidad de carga Estabilidad y larga duración Elasticidad Ductilidad Modelables Usos:
Las tuberías de acero inoxidable se utilizan para la distribución de agua caliente y fría, agua potable, aire comprimido, gases inertes (Argón, Nitrógeno, Dióxido de Carbono, Óxido Nitroso, Ozono etc.), servicios generales (vacío, refrigeración, agua de proceso, calefacción), agua para aspersores contra incendios y en general para la construcción.
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2.2 Tuberías De Hierro Fundido. Estas tuberías son fabricadas mediante la fundición de lingotes de hierro, carbón cocke y piedra caliza. La presencia de láminas de grafito le da cierta resistencia a la oxidación y a la corrosión, pero asimismo la hace frágil. Estas últimas características limitan el uso de la tubería de H.F. a ser utilizada enterrada pues su poca o ninguna resistencia la hace inadecuada para su colocación sobre soportes. La siguiente figura nos muestra cómo se debe colocar en el terreno.
Es un material de gran durabilidad bajo condiciones de instalación apropiadas, su condición de material frágil limita su utilización, principalmente en redes de distribución, donde la colocación de tuberías por zanjas es indispensable. Puede estimarse hasta un 5 por 100 las perdidas por rotura. Generalmente en el diseño con esta clase de tubería se usa un valor de C=100 para obtener el coeficiente de rugosidad de la expresión HAZEN-WILLIAMS. La siguiente figura nos muestra cómo se debe manipular la tubería de H.F.
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Las tuberías y conexiones de hierro fundido se utilizan principalmente en edificios, concretamente en la aplicación de desagüe, desechos y ventilación, para sistemas sanitarios o para aguas pluviales. Algunas de las grandes ventajas que tiene este producto son: Desempeño, versatilidad, bajo costo de Instalación, disponibilidad, resistencia a la abrasión, funcionamiento silencioso, no propaga incendios, alta resistencia a la corrosión,
bajo coeficiente de expansión y contracción, juntas
herméticas.
2.3 Tubería de Cobre. Las tuberías de cobre al ser fabricadas por extrusión y estiradas en frío tienen características y ventajas sobre otro tipo de materiales que las hacen altamente competitivas en el mercado. Su fabricación por extrusión que permite tubos de una sola pieza, sin costura y de paredes lisas y tersas, asegura la resistencia a la presión de manera uniforme y un mínimo de pérdidas de presión por fricción en la conducción de fluidos. Sus dos temples en los tipos normales de fabricación, rígido y flexible, dan al usuario una mayor gama de usos que otras tuberías que se fabrican en un solo temple. Su fabricación en aleación 122 “Cobre Fosforado” exenta de oxígeno, permite
tuberías de pared consistente y delgada. Los seis tipos de tubería fabricados en diámetros desde 1/4"” a 4” dan un a amplia
gama de posibilidades de uso, adecuándose a cada caso específico. VENTAJAS Rentable y fácil de instalar
Gran ahorro en las instalaciones realizadas con uniones en frío, por la facilidad y rapidez en su ejecución.
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Reducido peso por metro lineal de tubería, lo que abarata el transporte, facilita la manipulación y resulta ideal para la prefabricación en serie de instalaciones tipo. Resistente a temperaturas y presiones extremas
Soporta las más altas temperaturas sin alteración de sus características técnicas, ni de su comportamiento.
Su denominación de material criogénico lo hace resistente a las bajas temperaturas.
Gran elasticidad que le permite soportar altas presiones. Impermeable y resistente a la corrosión y al paso del tiempo
Permite montajes exteriores debido a su alta resistencia a la corrosión y a su inalterabilidad frente a los rayos ultravioleta.
Además, el cobre ofrece una completa impermeabilidad frente al oxígeno, protegiendo así la instalación frente a corrosiones.
Constancia en sus características. El tubo de cobre permanece inalterable con el paso del tiempo. Resistente al fuego
El cobre no se quema, resiste altas temperaturas sin fundirse y no desprende gases tóxicos.
La clasificación que corresponde al tubo de cobre según el sistema europeo euro clases es: “A1” (cumple los requisitos exigibles – no inflamable – sin necesidad de realizar ensayos).
No existe propagación exterior ni penetración de fuego. Saludable y seguro
Elemento natural, presente en la naturaleza, y oligoelemento esencial para el organismo humano.
Acción antibacteriana, evitando el desarrollo de gérmenes patógenos.
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Sostenible y 100% reciclable
Protege el medio ambiente al ser reciclable en su totalidad, permitiendo así un importante ahorro energético y de los recursos naturales del planeta. Después de reciclado, el cobre mantiene intactas sus propiedades.
Debido a su excepcional conductividad térmica es el material idóneo para instalaciones basadas en energías alternativas como la energía solar térmica o la geotérmica.
Reconocido por los Estados Miembros de la UE como material no PBT (no es persistente, no es bioacumulable y no es tóxico para el medio ambiente).
2.4 Tuberías De Hierro Dúctil La tubería de hierro ha sido durante mucho tiempo el material más usado para conducir agua y desagüe en los sistemas de tubería industrial, servicio y municipal. La vida útil del hierro es todavía desconocida, pero usualmente se estima en 100 años o más.
La tubería de Hierro Dúctil, es un producto de avanzada metalurgia, la cual ofrece propiedades únicas para la conducción de agua bajo presión & otros usos. Combina la resistencia de un acero con la larga vida del hierro gris fundido. La tubería de hierro dúctil, ofrece el máximo margen de seguridad posible contra fallas de mantenimiento debido a los movimientos de tierra y esfuerzos residuales. Virtualmente irrompible en condiciones de servicio ordinario, también ofrece una
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resistencia creciente a la ruptura producida por un manipuleo tosco en el embarque e instalación. La resistencia a la corrosión de la tubería de hierro dúctil, ha sido probada en una variedad amplia de pruebas aceleradas y hoy en día es al menos igual a la que ofrece el hierro fundido. El hierro dúctil es reconocido por las siguientes características: Ductilidad: La habilidad que posee un material en alargarse sin romperse. Resistencia: A la tracción superior para contrarrestar las cargas externas severas y las presiones internas altas. Tenacidad: Excelente resistencia al impacto para soportar manejo inapropiado de la tubería, martilleo del agua o condiciones inestables de los suelos.
2.5 Tuberías De Cloruro De Polivinilico (PVC)
El Poli Cloruro de Vinilo, es un material plástico, sólido, que se presenta en su forma original como un polvo de color blanco. Se fabrica mediante la polimerización del cloruro de vinilo monómero (VCM), que a su vez es obtenido de la sal y del petróleo. Fue patentado como fibra sintética hace más de 80 años y en 1931 comenzó a utilizarse comercialmente.
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Aplicaciones de las tuberías de PVC. De acuerdo con las características de las tuberías de PVC estas se emplean en diversas instalaciones como: • Redes de agua potable • Sistemas de riego (aspersión, goteo) • Conducciones de fluidos químicos. • Conducciones de fluidos corrosivos. • Conducciones de fluidos ácidos y alcalinos. • Colectores de alcantarillado. • Protección de conductos eléctricos. • Protección de conductos telefónicos. • Línea de proceso industrial .
Ventajas - Tubería Hidráulica de PVC
Economía El uso de Tubería Hidráulica de PVC representa un ahorro significativo en el costo final de la instalación Resistencia Química La Tubería Hidráulica de PVC no permiten la corrosión e incrustación de los elementos que conducen Bajo Peso El PVC es ligero y facilita las maniobras de almacenaje, trasporte e instalación Durabilidad Para aplicaciones en donde se requiere de Resistencia Química la Tubería Hidráulica de PVC es la mejor opción es por eso que el tiempo de vida útil es el de mayor durabilidad.
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Economía El uso de PVC representa un ahorro significativo en el costo final de la instalación. Instalación Debido a su ligereza en peso, facilidad de corte y rapidez de instalación no se requiere de herramientas especializadas. Propiedades.
Las principales propiedades físicas de las tuberías de PVC son: • Peso específico 1,4 g/cm3 • Coeficiente de dilatación térmica 0,08 mm/m/ºc • Conductividad térmica 0,13 Kcal/mlºc • Módulo de elasticidad 28,100 kg/cm2 • Resistencia superficial > 1012 ohmios • Tensión admisible 490 -600 kg/cm2 • Resistencia a compresión 760 kg/cm2 • Resistencia a la flexión 1097 kg/cm2 • Tensión de diseño 100 kg/cm2 • Coeficiente de fricción Manning n = 0,009 • Hazen-Williams c = 150
2.6 Tubería De Polietileno De Alta Densidad (PEAD)
La Tubería de Polietileno tiene características excelentes para diversas aplicaciones, es flexible, fuerte y ligera. No se cuartea ni se oxida y no forma acumulaciones en el diámetro interior del tubo
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La tubería con diámetros desde ½ pulgada hasta 3 pulgadas es entregada en rollos de 100 ó 150 metros y para los diámetros mayores desde 4 hasta 36 pulgadas su presentación es en tramos de 6 ó 12 metros de longitud. Ventajas • Liviana, de fácil manipulació n y transporte.
• Puede producirse en tramos de 12 metros, por lo que requiere menos tiempo de
instalación. • Excelente resistencia química, a la corrosión y abrasión.
• Vida útil de más de 50 años con bajos costos de manutención y operación. • Alta flex ibilidad, en caso de sismos o vibraciones del terreno las tuberías se
adaptan mejor a los movimientos, sin agrietarse ni desacoplarse. Además la tubería puede ser curvada, reduciendo accesorios o acoples extras.
2.7 Tuberías de Arcilla. Los tubos cerámicos son químicamente inertes, y a través de los años la arcilla natural ha sido convenientemente tratada para la fabricación de los mismos, lográndose una calidad apta, no solo para resistir los ataques químicos corrosivos de las aguas domésticas e industriales sino también para los aspectos estructurales requeridos en su instalación, además, poseen una buena resistencia a la abrasión. Las tuberías de arcilla son lisas, con bajo coeficiente de fricción, impermeable y poco atacable por ácidos Características técnicas
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Las principales características más importantes de los tubos cerámicos son:
o
Resistencia al ataque de compuestos orgánicos como ser ácidos, sales y bases con excepción del ácido fluorhídrico y sus compuestos.
Resistencia a la agresión de compuestos orgánicos y agentes
o
biológicos destructores.
o
Bajo coeficiente de dilatación térmica (K=5.10-6 m/°C).
o
Estanqueidad inferior a 0.03 en 15 minutos.
o
Buena resistencia mecánica
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CONEXIÓN DE TUBERIAS Las tuberías se unen mediante soldaduras, roscado, pegado o por el uso de bridas. El material de la tubería y su tamaño determinan el método de la unión. Como conexión de tuberías tenemos: 3.1 Conexiones de soldadura. El soldado es la técnica de conexión comúnmente mas utilizado en la industria. Los dos tipos más comunes de soldadura son: 1. De topes: Se usan en tuberías con diámetro igual o mayor que 2 pulgadas, y la unión que se va a soldar será preparado con bordes achaflanado para acomodar la soldadura. 2. De Boquillo: Estas se utilizan en tuberías con un diámetro igual o menor de 2 pulgadas. Los dos tipos de soldadura generan una conexión a prueba de fugas. 3.2 Conexión de Rosca Las roscas se emplean para evitar fugas y unir tuberías en aplicación donde la temperatura y la presiones son bajas, también es utilizado de manera usual en tuberías de acero y bronce con diámetros o menores a 2 pulgadas; y en general se encuentra en las líneas de gas casero.
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3.3 Conexiones de Bridas Las bridas son anillos que unen dos tubos. Las bridas están echas de acero, con un diámetro mayor de la tuberías y se mantienen unida entre si con pernos. Las uniones con bridas, son dispositivos que se utilizan para sujetar tuberías de acero y hierro.
3.4 Espiga Campana Es un tipo de junta integral, compuesta por una embocadura o campana en la que se introduce la espiga. Esta espiga está mecanizada al objeto de alojar una o dos juntas tóricas en material elastómero. La finalidad de las mismas es la de a segurar la estanqueidad de la unión por presión contra la pared interior de la campana. Esta junta no tiene resistencia axial y es muy apropiada para tubería enterrada por su facilidad y rapidez de montaje.
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3.5 Presión Con Empaque De Caucho Son mucho más fáciles de ensamblar y menos probable que tengan escapes como resultado de desplazamientos que ocurran terminada la construcción.
3.6 Mecánicas Están disponibles tanto con anillos de seguro como sin ellos. La unión sin seguro no puede resistir mucha presión y es a veces usada con barras de empate roscadas que transfieren las cargas longitudinales a secciones adjuntas con el fin de desarrollar más resistencia en el suelo.
MECÁNICA DE FLUIDOS II Bola flexible
Permiten la inclinación de la secciones de unión hasta 15º. Un empaque de caucho asegura el sello hermético al agua en una unión por demás metálica. Esta unión es usada en circunstancias en las cuales se prevén grandes deformaciones.
Victaulic
Consta de dos envolturas semicirculares que estan aseguradas entre si alrededor de la tubería. Los engranajes de las envolturas encajan en los borden de la tubería y envuelven un anillo de caucho que sirve como empaque.
3.9 Dresser
Constan de un anillo central y dos anillos exteriores que están atornillados entre sí contra el anillo central, tras el cual fuerzan los empaques. Tales uniones permiten un grado de rotación de la unión.
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Tipos de tuberías más usuales, con su rugosidad y tipo de unión
TIPO TUBERÍA
PVC
COEFICIENTE DIÁMETROS RUGOSIDAD COEFICIENTE DE HAZEN COMERCIALES EN METROS DE MANNING WILLIAMS EN PULGADAS
LISO*
HIERRO GALVANIZADO 0.00015 A 0.00020
HIERRO FUNDIDO
ACERO
COBRE
0.00025 A 0.00050
0.0004 A 0.0006
LISO**
TIPOS DE UNIÓN
0.009
150
0.015
130
0.013
130
Soldadura disolvente 1/2 - 3/4 - 1 - 1 1/4 - (unión química ) 1 1/2 - 2 - 2 1/2 - 3 - Conexiones - 4 - 6 - 8 - 10 - 12 campana y 14 espigo a presión Campana espigo - A presión con empaque de caucho Mecánicas Bridadas - De bola -De rosca 1/2 - 3/4 - 1 - 1 Victaulic 1/4 - 1 1/2 - 2 - 3 - 4 Dresser Campana espigo - A presión con empaque de caucho 1/2 - 3/4 - 1 - 1 Mecánicas Bridadas - De 1/4 - 1 1/2 - 2 - 3 bola -De rosca Victaulic 4 Dresser
140
1/2 - 3/4 - 1 - 1 1/2 - 2 - 2 1/2 - 3 - 4 - 5 - 6 8 - 10 - 12 - 16 - 18 20 - 24 - 30
140
1/4 - 3/8 - 1/2 - 3/4 - Campana - De 1 - 1 1/4 - 1 1/2 - 2 rosca – 2 1/2 - 3 - 4 Mecánica
0.012
0.011
Para tubos lisos, el valor de e es de 0.00001
A presión Mecánicas Soldadura – Remachada
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CONCLUSIONES Es indispensable para el diseño y desarrollo de cualquier obra de ingeniería en donde se presente la necesidad de transportar fluidos, tener en cuenta las propiedades físicas, químicas, mecánicas y especificaciones de los materiales que se pretendan usar para tal efecto. Es importante conocer el diferente tipo de tuberías, su comportamiento y sus aplicaciones para darle el mejor uso
LINKOGRAFIA http://www.dmajum.com/productos/tuberia-de-fibra-de-vidrio.html http://www.buenastareas.com/ensayos/Tipos-De-Tuberias/6469096.html http://www.koplastindustrial.com/
